基于有限元模型的动力电池冷却系统优化设计

丁亚运，于红丞，乾超群，徐海军，张礼元

1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.上海翼锐汽车科技有限公司，上海 201800

0 引言

当下，汽车开始进入电动化时代。随着电动车保有量的不断增加，车用动力电池的安全性也成了一个非常突出的问题。就动力电池的安全性来说，精准控制电池的温度是控制热扩散的一个重要指标，因为电池能否在适当的温度下充放电将影响电池寿命[1-2]。具体来说，当下广泛应用的车用动力锂电池对温度非常敏感，在充电、放电过程中，电池内部电化学反应以及电阻会产生大量热量，使电池的温度升高，影响电池的循环寿命、效率、可靠性和安全性[3-5]。电池温度的热失控是电动车发展所需解决的重要问题之一，热失控轻则缩短使用寿命，重则导致电池失火爆炸等恶劣事故。根据当前研究，锂电池最佳的工作温度为25～45 ℃，在电池内部以及模组之间理想的温差分布应小于5 ℃[6-9], 所以车用动力电池冷却系统温度均匀性（调节电池温度一致性）对整个电池系统的性能是至关重要的。有实验表明，在45 ℃环境温度下高倍率充放电，锂电池组的循环使用次数减少了60次，并且环境温度每上升5℃，电池组循环寿命减少一半，如果在最佳的工作温度范围里运行，能使电池组整体性能提高30%～40%，即冷却系统直接影响整车和锂电池的性能[10-11]。

目前，纯电动车与混合动力汽车大多采用风冷、液冷、相变材料3种主流的冷却形式[12-13]。而相关资料显示[14-15]，风冷效率不如液冷效率。鉴于此，本文以设计的某车用动力电池液冷系统为研究对象，首先利用CATIA软件设计液冷系统结构；再利用STAR-CCM+对冷却板流道建立仿真模型，对流道及温度场进行仿真；最后基于仿真结果对所设计的动力电池冷却系统的合理性及热扩散稳定性进行分析。

1 电池冷却系统结构设计与仿真

1.1 冷却系统结构设计

在电池包冷却系统的设计中，为了让每一块电池模组可以得到均匀而有效的温度控制，电池冷却板遵循两大设计要求：（1）尽可能增大流道与电池模组底部的接触面积；（2）尽可能使流道均匀地分布在电池模组底部。根据流场的理论知识，流体的流动模式有层流、紊流以及湍流3种形式，在直流道低流速时容易形成层流状态[16]，而这并不利于电池模组的散热。所以，为了形成有效的散热结构，设计中采用横截面积相对狭窄的弯曲流道（蛇形通道），这样在同等水泵流量下冷却液流速更快，更容易形成湍流，这样有利于冷却系统与电池模组之间的热交换[17-19]。

基于CATIA 3D绘图软件完成电池包及冷却系统结构绘制。根据电池包整体几何结构（图1），该电池包共有12块电池模组，设计如图2所示的单个电池组冷却板，再通过并联成组的方式连接到主流道管路形成电池包冷却系统（图3）。整个冷却系统由12块单个电池模组冷却板组成，其中左边6个单电池模组冷却板并联在左边主流道进出液管路，如图3所示，标记各个支管路接口分别为A、B、C、D、E、F，右边为对称结构，标记A所在端为主流道管路进出口。冷却系统在装配到电池包内时，液冷板上下表面都会涂覆一定厚度的导热胶，导热胶的作用是使电池模组与冷却系统均匀地进行热传导。从结构设计的角度来看，所设计的电池包冷却系统符合设计要求。

图1 车用动力电池包整体几何结构

图2 单个电池组冷却板流道结构

图3 车用动力电池包冷却系统结构

1.2 冷却系统冷却液流量仿真

以上述3D数据模型为基础，建立液冷板流场仿真模型，从而验证流道设计的合理性。在 STAR-CCM+软件中进行体网格划分，采用多面体网格模型，将A、B、C、D、E、F所示进液支管管径的初始状态设置为8 mm，A所在端为主流道管路进出口，上为进液管道，下为出液管道。进液口流速设置10 L/min，出液口相对压力设置为0，冷却液设置为恒密度不可压缩流体。计算模型采用稳态计算模式，湍流模型选用k-ε模型[20]。

对左半边冷却板流场进行各个流道冷却液流速仿真求解（图4），读取每一块冷却板出液支管流量大小，并对所记录数据进行处理，得到图5所示的各冷却板支管出口流量百分比。很明显，每块冷却板流道中的冷却液流量不一致，最大流量差为12.2%。液冷系统的冷却原理是通过流动的冷却液传导热量，而所设计每块冷却板流道中的冷却液流量不一致势必会导致热交换不均匀，使各个电池模组之间的温差较大，从而影响电池组充放电的稳定性，甚至出现一个恶性循环的结果。简单概括即各冷却管道流量分配不均匀，无法达到温度均匀的冷却效果。

图4 冷却系统各冷却板流道流量云图

图5 各冷却板支管出口流量百分比

1.3 冷却系统结构优化

根据上述冷却板流道流量稳态模拟结果分析，液冷流道中的冷却液流到各个液冷管中后，在流道中会产生压降[21]，从而导致相同进液管径的各冷却板中冷却液流量不一致。从结构设计的角度考虑，可以通过调整进液支管的管径来弥补压降所造成的流量减小问题，即通过调整进液支管的管径控制各个液冷板流道中流量的大小。在仿真模拟中反复尝试并结合工程设计经验以及现实中管料规格等，选取A、B、C、D、E、F处（图3）进液支管的管径分别为4.5 mm、5 mm、6 mm、7 mm、9 mm、10 mm。

1.4 冷却系统优化结构仿真

针对优化进液支管管径后的模型进行相同的冷却板流场仿真求解（图6），读取每一块冷却板出液支管流量大小，对数据进行处理得到图7所示的各冷却板支管出口流量百分比。很明显每块冷却板流道中的冷却液流动速度相差较小，最大流量仅存在0.85%的差异。即在流道冷却液流量差异小的情形下保证了冷却系统能够实现各个液冷板的温度交换传导相对均匀。即从热扩散的角度来看，所优化设计的电池包冷却系统符合热扩散均匀性的设计要求。

图6 结构优化后冷却系统各冷却板流道流量云图

图7 结构优化后各冷板支管入口流量百分比

2 动力电池冷却系统热扩散性能仿真

在上述合理的3D零件结构基础上，对所设计液冷系统进行3种行车工况下的温度场瞬态仿真，验证动力电池系统是否可以在最佳的工作温度下充放电[15,22]。为简化模型做以下假设：①设置电池模组为单一材料组成的产热体，导热率为各向异性；②电池包内零件的密度、比热容、导热系数等参数不随周围环境温度的变化而变化；③忽略对电池包温度影响较小的部件。根据以上假设可大大简化电池包热模型的几何模型。

设置材料属性：根据设计选用材料查找电池、铝板、钢板、胶水、冷却液等的物理属性，包括密度、比热容、导热系数、动态黏度、紊流普朗特数等参数，详见表1。

表1 材料属性

已知所选用电池模组1C放电的发热功率曲线如图8所示。

图8 电池模组1C放电的发热功率曲线

2.1 常温高速

常温高速工况下的模拟是指常温条件下，驾驶员在高速路上高速行车时，初始环境为25 ℃，选取电池模组几何中心点位置为温度监测点，当监测点温度大于38 ℃时开启冷却系统。根据液冷开启条件设置，模拟中记录液冷系统在3504 s开启液冷，整个模拟过程最高温度是38.6 ℃（图9），模组之间的最大温差在0.08 ℃范围内（图10），即这一工况下所设计的电池冷却系统满足最高温度50 ℃、最大温差5 ℃的设计目标。

图9 常温高速工况下电池模型温度仿真云图

图10 常温高速工况下电池模组温度曲线

2.2 高温高速

高温高速工况的模拟是指新能源汽车在夏天室外环境暴晒1 d后，启动汽车进入高速行驶工况。液冷系统模组最高温度为40.6 ℃（图11），电芯间的最大温差为0.25 ℃（图12），即这一工况下所设计的电池冷却系统满足最高温度50 ℃、最大温差5 ℃的设计目标。

图11 高温高速工况下电池模型温度仿真云图

图12 高温高速工况下电池模型温度曲线

2.3 低温加热

低温加热工况下，模拟新能源汽车在冬季放置车库一夜后，启动汽车把电池加热到安全工作温度（5 ℃以上）并进行高速行驶。液冷系统经过1526 s后模组温度监测点的最低温度达到了5 ℃以上（图13），液冷系统加热速率0.98 ℃/min。电芯之间的最大温差为0.65 ℃（图14），即这一工况下所设计的电池冷却系统满足加热速率大于0.5 ℃/min、最大温差5 ℃的设计目标。

图13 低温加热工况下电池模型温度仿真云图

图14 低温加热工况下电池模组温度曲线

3 结论

本文根据设计要求完成了液冷板的结构设计，利用CATIA建立了3D仿真模型，采用STAR-CCM+软件建立了动力电池包的液冷板流道稳态仿真模型与冷却系统温度场瞬态仿真模型，进行了冷却液流量仿真分析，得到如下结论：

（1）通过优化液冷板的进液支管管径，平衡流道内压降使各个液冷板的流道内流速偏差减小，为电池包的设计提供了可靠的数据支持。

（2）通过温度场仿真结果证实了流道流速均匀的液冷板可以有效地满足温度均匀性，控制温差，使最大温差不大于5℃。证明所设计的电池包冷却系统符合设计要求。

（3）本文提出的3D模型建立、温度场仿真方法对电池包的液冷板的开发及电池包的热管理具有一定指导意义。